Część roślin – w tym ważnych upraw trzciny cukrowej i kukurydzy (kukurydza), jak również innych różnorodnych gatunków, które są uważane za rozszerzone ich zakresy geograficzne do obszarów tropikalnych – rozwinęły specjalny mechanizm wiązania węgla, który w dużej mierze zapobiega fotorespiracji. Liście tych roślin mają specjalną anatomię i biochemię. W szczególności, funkcje fotosyntetyczne są podzielone pomiędzy komórki mezofilu i blaszki liściowej. Szlak wiązania węgla rozpoczyna się w komórkach mezofilu, gdzie dwutlenek węgla jest przekształcany w wodorowęglan, który jest następnie dodawany do trójwęglowego kwasu fosfoenolopirogronianowego (PEP) przez enzym zwany karboksylazą fosfoenolopirogronianową. Produktem tej reakcji jest czterowęglowy kwas oksalooctan, który jest redukowany do jabłczanu, innego czterowęglowego kwasu, w jednej z form szlaku C4. Następnie jabłczan jest transportowany do komórek pochewki wiązkowej, które znajdują się w pobliżu układu naczyniowego liścia. Tam jabłczan dostaje się do chloroplastów i jest utleniany i dekarboksylowany (tzn. traci CO2) przez enzym jabłkowy. W ten sposób powstaje wysokie stężenie dwutlenku węgla, który jest wprowadzany do cyklu Calvina-Bensona w komórkach osłonki wiązkowej, oraz pirogronian, kwas trójwęglowy, który jest przenoszony z powrotem do komórek mezofilu. W chloroplastach mezofilu, enzym dikinaza ortofosforanu pirogronianu (PPDK) wykorzystuje ATP i Pi do przekształcenia pirogronianu z powrotem w PEP, kończąc cykl C4. Istnieje kilka odmian tego szlaku u różnych gatunków. Na przykład aminokwasy asparaginian i alanina mogą zastąpić jabłczan i pirogronian u niektórych gatunków.
© Julianne Gentry-iStock/Getty Images
Scieżka C4 działa jako mechanizm gromadzenia wysokich stężeń dwutlenku węgla w chloroplastach komórek osłonki wiązki. Wynikający z tego wyższy poziom wewnętrznego dwutlenku węgla w tych chloroplastach służy do zwiększenia stosunku karboksylacji do natlenienia, minimalizując w ten sposób fotorespirację. Chociaż roślina musi wydatkować dodatkową energię, aby napędzać ten mechanizm, strata energii jest więcej niż zrekompensowana przez niemal całkowitą eliminację fotooddychania w warunkach, w których w przeciwnym razie by ono wystąpiło. Trzcina cukrowa i niektóre inne rośliny wykorzystujące tę ścieżkę mają najwyższe roczne plony biomasy spośród wszystkich gatunków. W chłodnym klimacie, gdzie fotorespiracja jest nieistotna, rośliny C4 są rzadkością. Dwutlenek węgla jest również skutecznie wykorzystywany w syntezie węglowodanów w osłonce wiązek.
Karboksylaza PEP, która znajduje się w komórkach mezofilu, jest niezbędnym enzymem w roślinach C4. W gorącym i suchym środowisku stężenie dwutlenku węgla wewnątrz liścia spada, gdy roślina zamyka lub częściowo zamyka swoje aparaty szparkowe, aby ograniczyć utratę wody z liści. W takich warunkach fotoodpychanie prawdopodobnie zachodzi u roślin wykorzystujących Rubisco jako główny enzym karboksylujący, ponieważ Rubisco dodaje tlen do RuBP, gdy stężenie dwutlenku węgla jest niskie. Karboksylaza PEP nie używa jednak tlenu jako substratu i ma większe powinowactwo do dwutlenku węgla niż Rubisco. Ma więc zdolność wiązania dwutlenku węgla w warunkach obniżonego stężenia dwutlenku węgla, np. gdy aparaty szparkowe na liściach są tylko częściowo otwarte. W konsekwencji, przy podobnym tempie fotosyntezy, rośliny C4 tracą mniej wody w porównaniu z roślinami C3. To wyjaśnia, dlaczego rośliny C4 są preferowane w suchych i ciepłych środowiskach.